Основы разрушения породы при ударном бурении
Рабочий процесс машин ударного бурения основан на преобразовании кинетической энергии инструмента в механическую работу по деформации и разрушению горной породы. При соударении бура с массивом происходит сложный энергетический переход, в результате которого формируется зона разрушения.
Механика внедрения инструмента
Острый наконечник бура, заточенный под углом α, проникает в породу на глубину h. Этот процесс создает в массиве сложное напряженное состояние. Непосредственно под инструментом формируется уплотненное ядро из измельченной породы под действием сжимающих напряжений. Одновременно сдвигающие напряжения вызывают скол частиц породы под углом θ, который превышает угол заточки α (θ > α).
Процесс внедрения прекращается в момент, когда силы сопротивления породы достигают величины максимальной действующей силы, определяемой амплитудой ударного импульса.
Формирование и передача ударного импульса
Исследования показывают, что характеристики начального импульса — его величина и форма — определяются двумя ключевыми факторами: конструкцией ударного узла буровой машины и скоростью соударения. Наиболее эффективная передача энергии наблюдается при использовании ударника, поперечное сечение которого совпадает с сечением инструмента. В этом случае в буре формируется импульс прямоугольной формы, создающий минимальные внутренние напряжения в самом инструменте.
Важным аспектом процесса является явление отражения части энергии. В зависимости от физико-механических свойств породы, часть ударного импульса не поглощается массивом, а отражается, не совершая полезной работы по разрушению. С увеличением общей энергии удара доля отраженной энергии снижается, что приводит к повышению коэффициента передачи удара — ключевого показателя эффективности.
Оптимизация энергетических параметров
Возможность варьировать передаваемую на забой энергию в широких пределах ставит перед инженерами две взаимосвязанные задачи. Первая — определение наиболее рациональной формы ударного импульса для конкретных горно-геологических условий. Вторая — поиск оптимального коэффициента использования энергии при заданном режиме нагружения. Решение этих задач позволяет существенно повысить производительность бурения и снизить энергозатраты.